9 величайших загадок современной физики

9 величайших загадок современной физики

В 1900 году, британский физик лорд Келвин, заявил: «В физике больше нет ничего нового. Все что нам остается — это лишь уточнять существующие данные». И вот в течение трех десятилетий после заявления британского ученого, мир узнает о существовании квантовой механики и теории относительности Эйнштейна. Сегодня, никакой физик не осмелится заявить о том, что познания человека о физике Вселенной конечны. Наоборот, новые открытия ученых, кажется, готовы открыть ящик Пандоры, в котором скрываются все новые и более серьезные вопросы бытия. Давайте рассмотрим самые значимые из этих вопросов.

Что такое темная энергия?

Не важно, как усердно астрофизики бьются над цифрами, Вселенная не сдается. Даже не смотря на то, что гравитация тянет пространственно-временной континуум — основной «материал» космоса — внутрь, Вселенная продолжает расширяться все быстрее и быстрее. Изучив данные исследований, астрофизики предположили, что в космосе существует невидимая сила, противостоящая гравитации, и выталкивающая пространственно-временное значение вовне. Они назвали эту силу «темной энергией». В самой широко принятой модели темной энергии, ее описывают как «космологическую константу»: присущую самому космосу величину, которая оказывает «негативное давление» на движение космоса. По мере расширения космоса, создается и большее количество темной энергии. Основываясь на данных собственных наблюдений, ученые вычислили и сумму всей темной энергии, которая составляет 70% всего наполнения Вселенной. Однако, ученые еще не смогли найти способ обнаружить темную энергию фактологически.

Что такое темная материя?

Общеизвестно, что примерно 84% материи во вселенной не поглощает и не испускает свет. «Темную материю», как называют эту субстанцию, нельзя увидеть напрямую, равно, как и обнаружить косвенным способом. О самом ее существовании и свойствах известно благодаря тем гравитационным эффектам, которые «темная материя» проецирует на видимую материю. Эта скрытая материя пронизывает все уголки галактики, и может состоять из «слабо заряженных массивных частиц», или, по-английски, сокращенно WIMP. Во всем мире существует несколько детекторов WIMP’ов, однако обнаружить хоть один из них, так и не удалось.

Почему существует ось времени?

Время идет вперед лишь потому, что значение вселенной, называемое «энтропией», и обозначающее уровень беспорядка, обладает только свойством увеличиваться. Факт того, что энтропия увеличивается, является предметом логики: во вселенной существует больше беспорядочных взаимоотношений частиц, чем четко обозначенных. Но интересующий ученых вопрос состоит в другом: почему влияние энтропии было столь незначительно в прошлом? Давайте зададим вопрос по-другому, почему вселенная была настолько упорядочена в самом начале своего существования, когда огромное количество энергии было втиснуто в столь малый объем пространства?

Существуют ли параллельные вселенные?

Данные астрофизических исследований указывают на то, что пространственно-временной континуум может быть «плоским», а не изогнутым, что означает его бесконечность. Если так, та часть континуума которую мы наблюдаем (и которую мы же считаем «Вселенной») является всего лишь клочком бесконечно широкой космической области. В то же время, законы квантовой механики указывают на то, что существует ограниченное число сочетаний частиц (10^10^122 вариантов). Поэтому, в условиях бесконечного числа космических областей, подобной нашей Вселенной, эти варианты частиц вынуждены повторяться бесконечное число раз. Что на деле означает наличие бесконечно большого числа параллельных вселенных: космических областей, в точности повторяющих нашу (с такими же точно существами), равно как областей с различием на одну или две частицы, и так далее, до полностью другой вселенной.

Кажется невообразимым? Что ж, пока ни полностью доказать, ни опровергнуть данную теорию человечество не может.

Почему существует больше материи, чем антиматерии?

Вопрос о том, почему материи намного больше, чем ее противоположно-заряженного и противоположно-закрученного аналога, антиматерии, на самом деле, является базовым вопросом нашего существования.

Часть ученых считает, что вселенная не имеет предпочтений, и одинаково относится, как к материи, так и к антиматерии. По их мнению, в момент Большого взрыва, образовалось одинаковое количество материи и антиматерии. Но если так, они бы тотчас взаимоуничтожились: протоны бы уничтожили антипротоны, электроны столкнулись бы с анти-электронами (позитронами), нейтроны бы аннигилировали антинейтроны, и так далее, оставив бы в нематериальном пространстве, лишь множество фотонов. По неизвестной причине, в космосе наблюдается значительный количественный перевес материи, и именно поэтому мы все до сих пор живы. Четкого объяснения этого феномена пока не существует.

Какова судьба вселенной?

Судьба вселенной сильно зависит от фактора неизвестной величины: Ω, мере плотности материи и энергии во вселенной. Если бы величина Ω была больше единицы, пространственно-временной континуум закрылся бы, как поверхность огромной сферы. Не будь темной энергии, такая вселенная перестала бы расширяться, и наоборот, начав сокращаться, в конце концов, уничтожила бы саму себя. Будь вселенная закрытой, но обладая темной энергией, она бы расширялась бесконечно.

С другой стороны, если бы величина Ω была меньше единицы, геометрия космоса была бы открытой. В таком случае, ее судьбой была бы «Большая заморозка», за которой бы последовала смерть: во-первых, внешнее ускорение вселенной разрывало бы галактики и звезды на частицы. Во-вторых, ускорение приобрело бы такое огромное значение, что превзошло бы значение сил, благодаря которым атомы крепятся друг к другу. Тем самым вселенная уничтожила бы саму себя.

При значении Ω = 1, Вселенная была бы плоской, распространяясь как степь во всех направлениях. Не будь темной энергии, такая «ровная» вселенная росла бы бесконечно долго, однако при всё уменьшающейся скорости распространения, постепенно приближалась бы к нулевому значению скорости. При наличии темной энергии, плоская вселенная, в конечном итоге, достигла бы такой скорости, которая привела бы к ее смерти.

Почему измерения меняют квантовую «функцию волн»?

В странном королевстве электронов, фотонов и других базовых частиц, квантовая механика — это непреложный закон. Частицы, несмотря на внешний вид, не ведут себя как маленькие шарики, но скорее как волны, распространяющиеся в широкой области. Каждая частица описана «функцией волны», или механизмом распространения, который может рассказать о ее возможном местоположении, ускорении, и других характеристиках, но, ни о том, каковы они. Частица обладает широким набором характеристик до тех пор, пока вы экспериментально не замерите одну из них — например, местоположение — с того времени «функция волны» частицы ломается, и она перемещается.

Однако, как и почему, измерение частицы заставляет измениться ее «функцию волны»? Данный вопрос, известный как «проблема вычисления», может и кажется эзотерическим, однако наше восприятие реальности зависит, в том числе, и от ответа на него.

Верна ли теория струн?

Когда физики заявляют, что все элементарные частицы на деле являются одномерными протяженными объектами, или «струнами», каждая из которых вибрирует с определенной частотой, теоретикам становится приятно на душе. Теория струн позволяет физикам привести законы поведения частиц к единому своду правил, называемому квантовой механикой. Этот свод фундаментальных правил описывает пространственно-временные законы, названные теорией общей относительности, и призванные объединить четыре фундаментальные силы природы в рамках одной структуры.

Вся проблема состоит в том, что теория струн может работать лишь во вселенной, состоящей из 10 или 11 измерений: три широких пространственных измерения, шесть или семь компактных пространственных измерений, и временное измерение. Компактные пространственные измерения — равно как и сами вибрирующие струны — по размеру равны миллиардной части триллионной доли ядра атома. Никакой, даже отдаленной, возможности обнаружить подобную величину у ученых нет, поэтому нельзя экспериментально подтвердить или опровергнуть теорию струн.

Существует ли в хаосе порядок?

Физики не могут точно решить набор уравнений, описывающих поведение жидкостей, начиная от воды и воздуха, и заканчивая газами. На деле, не известно, существует ли решение так называемых уравнений Навье-Стокса, а если их решение и существует, описывает ли оно общее поведение жидкостей, или же содержит информацию, лишь по таким значениям, как сингулярность. Как следствие, ученые не могут до конца объяснить природу хаоса.

Автор

Запись опубликована 6 Июль 2012 в разделе Общество